Растворов

Общие сведения

Раствор — гомогенная смесь, состоящая из растворителя и рас­творенного вещества. К растворителям относятся вода и ряд органиче­ских соединений: бензол, толуол, фенол, ацетон, дихлорэтан, спир­ты. Растворы могут состоять из двух, трех и более компонентов.

Концентрацией раствора принято называть массовое количество растворенных твердых веществ в определенном массовом или объем­ном количестве раствора или растворителя (воды). В технике часто пользуются объемной концентрацией — массой растворенного ве­щества, кг, в 1 м³ раствора. Наряду с объемной концентрацией в практических расчетах применяется массовая концентрация, выра­женная в массовых долях (или массовых процентах), т.е. в виде отношения массы растворенного твердого вещества к массе всего раствора.

Объемная концентрация b, г/м³, и массовая концентрация В, %, связаны зависимостью

b = 0,01γВ (4.14)

где γ — плотность раствора, г/м³.

Для водных растворов многих веществ приближенное значение плотности раствора, г/м³, можно определить по формуле

γ=1+0,009 B. (4.15)

Из формул (4.14) и (4.15) находим

Растворение любого количества твердого вещества в воде ограничено. При заданной температуре раствор имеет определенную концентрацию насыщения, соответствующую установившемуся равновесию между растворившейся и оставшейся нерастворенной частью вещества.

Количество растворенного вещества в насыщенном растворе, отнесенное к определенному количеству раствора, называется растворимостью. Растворимость равна концентрации насыщенного раствора и зависит от температуры, а также от свойств растворенного вещества и растворителя. Для большинства минеральных солей растворимость с повышением температуры возрастает, но для некоторых веществ уменьшается или при заданной температуре принимает максимальное значение (рис. 4.8, табл. 4.6).

Насыщенный раствор содержит максимально возможное количество растворенного вещества в растворителе при данных условиях. Раствор, в котором концентрация растворенного вещества больше, чем в насыщенном, пересыщен и избыток вещества выпадает в виде кристаллов в осадок.

На практике чаще всего концентрации растворенных веществ меньше, чем в насыщенных растворах.

Такие растворы выпаривают до предельного насыщения, а затем передают на кристаллизацию и выделение солей. Растворение минеральных солей следует рассматривать как реакцию взаимодействия их с водой, протекающую в диффузионной области. Процесс растворения большинства солей в воде подчиняется законам молекулярной диффузии, скорость растворения выражается формулой

Таблица 4.6

Растворимость твердых веществ в воде [6], % по массе

Минераль­ные соли	Температура, °С
СаС12	37,3	39,4	42,7	50,1	53,5	56,9	57,8	59,5	61,4
Ca(NO3)2	50,5	53,6	55,5	59,4	65,3	73,0	78,0	78,2	78,4
CuSO4	12,9	14,8	17,2	20,0	22,8	25,1	28,1	34,9	42,4
FeSO4	13,5	17,0	21,0	24,8	28,7	32,3	35,5	30,5	24,0
К2СО3	51,9	52,2	52,8	53,4	53,9	54,8	55,9	58,3	60,9
КС1	22,2	23,8	25,5	27,2	28,7	30,1	31,3	33,8	36,0
KNO3	11,6	17,7	24,1	31,5	39,1	46,2	52,0	62,8	71,1
MgCl2	34,6	34,9	35,3	35,6	36,5	37,0	37,9	39.8	42,2
MgSO4	—	23,6	26,2	29,0	31,3	33,5	35,0	38,6	40,6
NH4C1	23,0	25,0	27,3	29,3	31,4	33,5	35,6	39,6	43,6
NH4NO3	54,2	59,1	63,9	70,8	74,8	78,0	80,4	86,2	91,0
(NH4)2SO4	41,4	42,2		43,8	44,8	45,8	46,8	48,8	50,8
Na2CO3	6,4	11,2	17,8	29,0	32,8	37,2	31,7	30,8	30,8
NaCl	26,3	26,3	26,4	26,5	26,7	26,9	27,1	27,6	28,2
NaNO3	42,2	44,6	46,8	49,0	51,2	53,3	55,9	59,7	64,3
Na2SO4	4,5	6,1	16,1	29,1	32,5	31,8	31,3	30,4	29,9

где т — масса растворяющегося вещества, кг; К_т —коэффициент скорости растворения; F — начальная суммарная площадь поверх­ности частиц растворяемого вещества, м²; b_H, b* — концентрации начальная и насыщения, кг/м³.

Массу растворенного за определенное время вещества можно представить зависимостью

т = K_mF(∆b_H - ∆ b_К)τ/3 ln(∆b _H - ∆b_K), (4.18)

где ∆b_Н = b* - b_H, ∆b_К = b* - b_к — движущие силы процесса; b_к — Конечная концентрация раствора; τ — время, ч.

Для применения формулы (4.18) необходимо иметь эксперимен­тальные данные и, особенно, для значения К_т, зависящего от тем­пературы раствора, скорости перемешивания и природы вещества.

Скорость растворения для диффузионно-растворяющихся солей выразим в виде

где ψ_m= 70 ±10 — постоянная для всех диффузионно-растворимых солей; ∆Р — избыточное давление в аппарате, МПа; D_μж — эффективный коэффициент диффузии при вязкости μ_ж= 1:

где (D_μж)_Т и (Z_μж)₂₉₈ — эффективные коэффициенты диффузии соли при концентрации раствора b и температурах Т и 298 К.

Значения D_μж или μ_ж при 298 К (25 °С) для растворов многих солей приводятся в справочной литературе.

Для расчета кристаллизации можно воспользоваться зависимостью

К_m = f /(Re, Ar, E_a). (4.21)

Здесь числа Рейнольдса Re = ρυl/μ и Архимеда Аr = (gl³/υ²)(ρ_ж - ρ_г)/ρ_ж, где ρ — плотность, μ — коэффициент динамической вязкости жидкости (или газа), υ и l — характерные скорость и линейный размер обтекаемого тела, характеризуют движение paствора при перемешивании и осаждении солей из раствора; Е_а -энергия активации процесса, Дж/моль.